PROSIDING SKF 2015
Desain, Perakitan dan Uji Coba Mini Parabolic Trough Collector (PTC) Sederhana Lintang Ratri Prastika1,a) dan Muhammad Miftahul Munir1,b) 1
Laboratorium Fisika Instrumentasi, Kelompok Keilmuan Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132 a)
[email protected] b)
[email protected]
Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat model prabolic trough collector (PTC) dalam ukuran kecil, dengan tahap menentukan desain, melakukan perakitan dan uji coba mini PTC sederhana ini. Mini PTC didisain menggunakan persamaan parabola sederhana. Terbuat dari material yang mudah diperoleh dalam ukuran yang kecil. Panjangnya sekitar 1 m dan lebar aperture 0,5 m. Plat seng mengkilat digunakan sebagai reflector dan pipa alumunium digunakan sebagai absorber. Pengujian PTC dilakukan pada lahan terbuka di atap sebuah gedung di Jalan Purbasari Dalam, Cimahi, Jawa Barat, Indonesia. Air dimasukkan ke dalam pipa sebanyak 70% dari volume total pipa, yaitu 63,2 ml. PTC diletakkan dengan orientasi Utara-Selatan. Manual tracking dilakukan untuk membuat PTC tetap mengarah ke matahari. Pengukuran suhu dan tekanan air dalam pipa dilakukan dan dicatat setiap 15 menit sekali dari pukul 9.30–11.00. Hasil pengukuran menunjukkan suhu tertinggi yang dapat dicapai PTC adalah 54oC dan tekanan tertinggi adalah 1,4 bar. Berdasarkan hasil pengujian tersebut, desain mini PTC ini belum mampu menghasilkan uap bertekanan tinggi. Studi lebih lanjut dapat dilakukan dengan memperbaiki desain dan mengganti material PTC sampai dapat menghasilkan uap air bertekanan tinggi sehingga daat dimanfaatkan untuk memutar mini generator dan menghasilkan listrik. Kata-kata kunci: Kolektor surya, parabola, energi surya
PENDAHULUAN Energi merupakan sesuatu yang sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup khususnya manusia. Semua kegiatan yang dilakukan manusia memerlukan energi. Sehingga manusia mencari sumber energi yang dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Saat ini sumber energi utama bagi manusia di dunia berasal dari fosil, seperti minyak bumi, batu bara dan gas alam. Sayangnya, sumber energi tersebut termasuk sumber daya alam yang sulit diperbaharui karena proses perubahan bangkai makhluk hidup menjadi fosil itu membutuhkan waktu yang sangat lama. Akibatnya jika sumber energi yang berasal dari fosil tersebut dieksploitasi terus-menerus, persediaannya di alam akan habis. Menyadari keadaan tersebut, banyak pihak yang mulai memikirkan mencari sumber energi lain yang lebih efisien dan yang lebih ramah lingkungan. Diantaranya adalah matahari, angin, air, dan biomass [1]. Indonesia merupakan negara dengan letak astronomis yang sangat strategis. Berada di sekitar garis khatulistiwa tepatnya 6o LU sampai 11o LS dan 95o BT sampai 141o BT. Indonesia memiliki iklim tropis dan selalu terkena matahari sepanjang tahun. Sebagian besar wilayah di Indonesia memperoleh intensitas radiasi matahari yang cukup, dengan rata-rata harian sekitar 4 kWh/m2 [1]. Dengan kondisi tersebut, Indonesia memiliki potensi yang besar untuk memanfaatkan energi matahari sebagai sumber energi terbarukan.
ISBN : 978-602-19655-9-7
16-17 Desember 2015
224
PROSIDING SKF 2015
Salah satu cara memanfaatkan energi matahari saat ini adalah dengan menggunakan kolektor surya. Prinsipnya, cahaya matahari difokuskan pada sebuah absorber yang kemudian akan digunakan untuk memanaskan air yang ada dalam absorber. Lebih jauh lagi air tersebut akan terus dipanaskan sampai menghasilkan uap. Selanjutnya uap yang dihasilkan akan digunakan untuk memutar turbin sehingga dihasilkanlah listrik. Terdapat berbagai jenis kolektor surya yang berkembang saat ini. Diantaranya kolektor menggunakan plat datar, silinder, dan parabola. Tipe absorber yang digunakan pun bermacam-macam. Terdapat absorber tipe datar, pipa, dan titik. Perbedaan bentuk kolektor, absorber, maupun tracking akan memberikan hasil yang berbeda pada pemanasan air dalam absorber. Banyak peneliti telah membuat dan menguji coba jenis-jenis kolektor surya tersebut sebagai upaya memperoleh desain yang paling efisien untuk dapat dikembangkan secara komersial menjadi sumber energi terbarukan dan ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah membuat model kolektor surya berbentuk parabola (Parabolic Trough Collector, PTC) sederhana yang berukuran kecil. Desain dibuat dengan mengacu pada beberapa paper yang telah ada, dengan modifikasi dan penyesuaian dengan material yang ada disekitar tempat tinggal penulis. Hasil uji coba kemudian dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya, untuk mengetahui kualitas dari mini PTC sederhana yang telah penulis buat.
DESAIN Mini PTC sederhana ini didesain dengan persamaan parabola sederhana dengan ukuran panjang sekitar 1 m dan lebar aperture 0,5 m. Besaran parabola untuk menentukan ukuran PTC lainnya dihitung menggunakan persamaan (1) [2].
x 2 = 2 Ry
(1) x merupakan setengah lebar aperture (jarak antara ujung lengkungan parabola) reflektor dan y adalah kedalaman parabola dari garis aperture. Skema sistem parabola terlihat pada gambar 1.
Gambar 1. Skema sistem parabola
Titik fokus parabola dihitung menggunakan persamaan (2) [2].
f =
R 2
(2)
Sudut rim (rim angle, ψrim) dihitung dengan persamaan (3) [3].
tan
ψ rim 2 x = 2 4f
(3)
Besaran lain yang penting dari sebuah PTC adalah perbandingan konsentrasi (concentrating ratio, C) yaitu perbandingan antara luas aperture (Aa) dengan luas permukaan absorber (Ar), yang dapat dihitung dengan persamaan (4) [3].
C=
Aa Ar
(4)
Dan efisiensi PTC dihitung dengan dengan persamaan (5) [3]. (5) Dengan :
ISBN : 978-602-19655-9-7
16-17 Desember 2015
225
To mw cw Ib A
= suhu inlet dan outlet air dalam pipa (oC) = massa air (kg) = kalor jenis air (4200 J/kgoC) = radiasi langsung matahari (W/m2) = luas aperture (m2)
PROSIDING SKF 2015
Ukuran kolektor surya parabola terangkum pada tabel 1. Tabel 1. Ukuran kolektor surya untuk desain PTC Besaran Nilai
Panjang PTC Aperture Sudut rim Jarak fokus Perbandingan konsentrasi, C Kedalaman kolektor
105 cm 50 cm 84o 13,9 cm 12,74 11,25 cm
Penulis membagi PTC menjadi tiga bagian utama, yaitu plat reflector (pemantul), absorber, dan kaki penyangga. Plat reflektor terpasang pada bingkai berbentuk persegi panjang. Bingkai plat dan kaki penyangga dibuat dengan menggunakan besi pipih dengan ukuran panjang rata-rata 90 cm, lebar 2 cm, dan tebal 2 mm. Bingkai plat reflector berukuran panjang 105 cm dan lebar 54,5 cm. Plat reflektor menggunakan plat seng dengan ukuran panjang 105 cm, lebar 60 cm. Plat seng tersebut dilapisi dengan polet crom mengkilat untuk meningkatkan kemampuan pantul plat. Pipa absorber menggunakan bahan alumunium berukuran diameter luar 1,25 cm, diameter dalam 1 cm, panjang 115 cm. Pipa tersebut kemudian dicat hitam untuk meningkatkan kemampuan menyerap energi radiasi matahari. Pipa absorber ditopang menggunakan besi pipih, besi penopang absorber ini berukuran panjang total 20 cm. Data geometris desain PTC yang penulis buat terangkum dalam tabel 2. Bagian PTC
Bingkai reflektor Kaki penyangga
Penopang absorber Pipa absorber
Tabel 2. Data geometris desain PTC Besaran
Panjang Lebar Panjang Lebar Tinggi Panjang Diameter lubang untuk pipa absorber Diameter luar Diameter dalam Panjang
Ukuran
105 cm 54,5 cm 110 cm 36 cm 41 cm 20 cm 1,25 cm 1,25 cm 1 cm 115 cm
Alat-alat lain yang digunakan pada mini PTC ini adalah kran kompresor sebanyak dua buah sebagai saluran keluar masuk air ke dalam pipa, penyambung kran dengan pipa berbentuk ‘T’ dan ‘I’, selang hidrolik, klem ukuran 7/8 inci, barometer, dan termometer sebagai alat ukur saat uji coba. Kemudian semua bagian dirangkai dan disatukan menjadi PTC yang utuh seperti pada gambar 2.
UJI COBA Uji coba ketepatan pantulan pada fokus mini PTC dilakukan dengan menggunakan laser pointer. Bagian plat yang belum memantulkan laser secara tepat pada pipa diperbaiki lagi. Uji coba kemampuan PTC menerima panas dari sinar matahari dilakukan dengan cara meletakkan mini PTC pada lahan terbuka di saat matahari terik kemudian “menjemurnya”. Uji coba dilakukan di atap sebuah gedung di Jalan Purbasari Dalam, Cimahi, Jawa Barat, Indonesia. Pipa diisi dengan air kurang lebih 70% volume total pipa. PTC diletakkan dengan orientasi Utara-Selatan, sehingga perlu dilakukan tracking supaya pipa selalu mengarah pada matahari. Tracking dilakukan secara manual menggunakan tali yang dipasang di ujung-ujung bingkai untuk menyesuaikan posisi PTC terhadap matahari. Penjemuran dilakukan pada saat cuaca sedang cerah dan matahari bersinar terik. Dilakukan empat kali penjemuran pada bulan Februari-April 2015. Tiap penjemuran dilakukan dari pukul 09.30 sampai pukul 11.00 dengan pengamatan hasil pengukuran suhu dan tekanan setiap 15 menit. Besaran yang diukur adalah
ISBN : 978-602-19655-9-7
16-17 Desember 2015
226
PROSIDING SKF 2015
perubahan suhu air dalam pipa dan tekanan yang dihasilkan dari proses pemanasan air menggunakan energi matahari. Pengukuran menggunakan alat ukur termometer dan barometer sederhana.
Gambar 2. Mini prabolic through collector sederhana
HASIL Hasil pengukuran suhu dan tekanan tercantum dalam tabel 3 dan tabel 4.
Waktu
Tabel 3. Hasil pengukuran suhu air dalam pipa Suhu (oC) Suhu (oC) Suhu (oC) Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3
09.30 09.45 10.00 10.15 10.30 10.45 11.00
Waktu
27 27 32 32 40 40 45
26 40 42 40 38 38 40
27 31 34 36 38 36 36
Tabel 4. Hasil Pengukuran Tekanan dalam Pipa Tekanan (bar) Tekanan (bar) Tekanan (bar) Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3
09.30 09.45 10.00 10.15 10.30 10.45 11.00
0 0 0 0 0 0 0.1
0 0,2 0,4 0,6 0,6 0,6 1
0 0,4 0,6 1 1,2 1,4 1
Suhu (oC) Percobaan 4
32 38 48 50 52 54 54
Tekanan (bar) Percobaan 4
0 0 0 0 0 0.2 0.4
Jika data pada tabel 3 dan 4 ditampilkan dalam bentuk grafik akan terlihat seperti pada gambar 3.
ISBN : 978-602-19655-9-7
16-17 Desember 2015
227
PROSIDING SKF 2015
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Grafik hasil pengukuran suhu air dalam PTC terhadap waktu, (b) Grafik hasil pengukuran tekanan dalam PTC terhadap waktu
Data hasil uji coba tersebut kemudian digunakan untuk menghitung efisiensi PTC yang telah dibuat. Massa air dapat dihitung menggunakan hubungan massa jenis dengan volume. Volume air yang dimasukkan dalam pipa adalah 6,32x10-5 m3 yang merupakan 70% dari volume total pipa. Jika massa jenis air yang digunakan dianggap sebesar 1000 kg/m3, maka massa air adalah 6,32x10-2 kg. Uji coba PTC dalam studi ini tidak menggunakan air mengalir sehingga suhu inlet dan outlet air dalam pipa dapat diasumsikan sebagai suhu tertinggi dan suhu terendah yang dapat dicapai saat uji coba PTC [2]. Suhu tertinggi 54oC dan suhu terendah 26oC. Nilai intensitas radiasi matahari yang digunakan adalah nilai intensitas radiasi rata-rata di Indonesia pada tengah hari yang cerah, yaitu sebesar 1000 W/m2 [4]. Luas aperture PTC diperoleh dengan mengalikan ukuran lebar aperture (0,5 m) dengan panjang PTC (1,05 m), diperoleh nilai 0,525 m2. Menggunakan persamaan (5) diperoleh nilai efisiensi PTC yang dibuat, yaitu sebesar 14,2 %.
PEMBAHASAN Penelitian Pradeep et. al. [2] yang melakukan pemanasan di daerah Karnatakan, India pada tanggal 15-18 Mei 2009 menunjukkan bahwa Parabolic Trough Collector yang dibuatnya dengan bahan reflector alumunium dan pipa absorber berbahan chromium mencapai suhu 31oC-90oC dalam keadaan cuaca kering dan 26oC-37oC dalam keadaan cuaca lembab untuk waktu pemanasan pukul 09.00-11.00 dan untuk PTC yang dibuat Pradeep et al. [2] dengan bahan reflector cermin dan pipa absorber berbahan chromium mencapai suhu 35oC-94oC dalam keadaan cuaca kering dan 29oC-49oC dalam keadaan cuaca lembab untuk waktu dan lokasi pemanasan yang sama. Penelitian review Hossain et al. [5] menunjukkan suhu rata-rata yang dicapai PTC pada pukul 09.00-11.00 sekitar 17oC-20oC. Hasil penelitian Tayade et al. [6] menunjukkan suhu yang dapat dicapai PTC yang dibuatnya dengan bahan reflector alumunium dan pipa absorber berbahan alumunium yang dibungkus pipa gelas mencapai suhu 32oC-55oC untuk waktu pemanasan pukul 09.30-11.00 selama bulan November-Desember di daerah Chandrapur, India (19.95° LU, 79.3° BT). Kemudian penelitian Valan Arasu dan Sornakumar [7] menunjukkan PTC yang mereka buat dengan bahan reflector berupa solarflex foil dan absorber dengan bahan tembaga yang diselubungi dengan pipa gelas dapat menaikan suhu air dalam pipa sebesar 42oC-55oC untuk waktu pemanasan pukul 09.30-11.00. Seluruh penelitian sebelumnya tersebut menunjukkan bahwa PTC yang telah dibuat dengan berbagai material reflector dan absorber dapat meningkatkan suhu air dalam pipa dengan suhu maksimal 94oC untuk waktu pemanasan sampai pukul 11.00. Hal tersebut sesuai dengan hasil uji coba PTC yang penulis buat bahwa PTC dapat pula meningkatkan suhu air dalam pipa absorber. Suhu tertinggi yang dapat dicapai adalah 54oC mendekati hasil penelitian Tayade et al. [6]. Namun dalam proses uji cobanya terdapat kenaikan suhu yang tidak linier, terjadi penurunan suhu air dalam pipa sebelum mencapai pukul 11.00. Tekanan yang diperoleh pada PTC yang dibuat dalam penelitian Asfar et al.[8] adalah 2 bar saat suhu maksimum outlet sebesar 123oC dengan keadaan air mengalir. PTC yang penulis buat mencapai tekanan maksimum 1,4 bar dalam suhu air dalam pipa yang belum melebihi 100oC. Kemungkinan tekanan yang terukur oleh barometer tersebut merupakan tekanan udara dalam pipa yang terpanaskan, karena pipa tidak diisi penuh oleh air. Efisiensi PTC yang penulis buat masih jauh dibawah 50% sehingga belum menunjukkan nilai yang baik untuk keadaan intensitas radiasi rata-rata di Indonesia pada siang hari yang cerah.
ISBN : 978-602-19655-9-7
16-17 Desember 2015
228
KESIMPULAN
PROSIDING SKF 2015
PTC dapat dibuat menggunakan berbagai material dan berbagai ukuran untuk menghasilkan PTC yang paling efisien. Tempat PTC dioperasikan pun menentukan hasil pemanasan PTC. Pada penelitian ini telah dibuat PTC dengan material seng mengkilat sebagai reflector dan pipa alumunium tanpa selubung gelas sebagai absorber. Dengan ukuran yang kecil (panjang 1 m dan lebar aperture 0,5 m) dihasilkan suhu tertinggi yang dapat dicapai PTC sebesar 54oC dan tekanan tertinggi sebesar 1,4 bar untuk waktu pemanasan 09.3011.00. Efisiensi PTC yang dibuat adalah 14,2 %. Perlu dilakukan pengukuran intensitas radiasi matahari secara langsung saat melakukan pemanasan PTC supaya dihasilkan nilai efisiensi yang lebih akurat.
UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Joko Prassetiyanto, S.T. yang telah sangat membantu dalam proses perakitan PTC ini.
REFERENSI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
N. A. Handayani and D. Ariyanti, Int. Journal of Renewable Energy Development 1 (2), 33-38 (2012). K.K.V. Pradeep, T. Srinath, V. Reddy, Int. Journal of Research in Aeronautical And Mechanical Engineering 1 (4), 37-55 (2013). A.M. Eltahir, “Design And Testing of a Solar Parabolic Concentrating Collector”, in International Conference on Renewable Energies and Power Quality 2013 (ICREPQ’13), pp. 1-5. H. Asy’ari, Jatmiko, Angga, “Intensitas Cahaya Matahari Terhadap Daya Keluaran Panel Sel Surya”, in Simposium Nasional RAPI XI FT UMS – 2012, pp. 52-57. M.S. Hossain, R. Saidur, H. Fayaz, N.A. Rahim, M.R. Islam, J.U. Ahamed, M.M. Rahman, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 3801– 3812 (2011). M. G. Tayade, R. E. Thombre, S. Dutt, Int. Journal of Scientific and Research Publications 5 (1), 1-5 (2015). A. Valan Arasu and S. T. Sornakumar, Thermal Science 10 (2), 167-174 (2006). J. A. Asfar, O. Ayadi and A. A. Salaymeh, Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering 8 (1), 1-5 (2014).
ISBN : 978-602-19655-9-7
16-17 Desember 2015
229
